預應力混凝土小箱梁腹板裂縫成因分析

武志杰

（張家口市路橋工程監(jiān)理咨詢有限責任公司，河北 張家口 075000）

1 引言

當前我國有著較高的人均車輛占有率，為與當今的交通量相匹配，人們不斷追求更高的橋梁建設質(zhì)量標準以及更寬更大的建設幅度。此時，小箱梁結(jié)構(gòu)橋梁因其自身受力合理等特點而受到人們的廣泛應用。當因小箱梁所采用材料的強度等的不足，使其在運營時容易出現(xiàn)較多的病害，尤其是對于預應力混凝土結(jié)構(gòu)而言，裂縫病害非常常見。基于此，本文將針對預應力混凝土小箱梁的腹板裂縫進行探討，以分析其成因。

2 工程概況

該橋梁全長2 040m，以一級公路標準進行設計，有著80km/h的設計速度，先簡支后連續(xù)橋梁體系，上部結(jié)構(gòu)為裝配式預應力混凝土小箱梁結(jié)構(gòu)，上下行分離式斷面，35m的基本跨徑。橋梁施工時再張拉完小箱梁預應力筋之后，因各種因素的影響，使其在完成張拉后未能及時開展灌漿工作，并且有著多達7d以上的壓漿間隔張拉時間。橋梁運營期間有多條縱向裂縫出現(xiàn)在小箱梁腹板預應力管道處。

為能夠較為準確地對混凝土小箱梁的整體受力進行研究分析，以獲取其腹板出現(xiàn)縱向裂縫的原因，本文將通過有限元軟件Midas對小箱梁結(jié)構(gòu)進行建模分析，特別是針對其腹板處的受力而言。采用有限元仿真分析的方法，對小箱梁在施工和運營等階段的應力進行模擬，以尋求腹板縱向裂縫出現(xiàn)的具體階段。使用空間桿系單元模型對腹板的應力場進行建模分析。以橋梁一聯(lián)為研究對象，根據(jù)橋梁實際對邊界條件進行模擬。

3 整體受力分析

分析施工和運營階段小箱梁在荷載組合作用下的腹板應力分布情況，以獲取小箱梁模型中裂縫出現(xiàn)的可能原因。

3.1 施工階段小箱梁應力分布

在預制小箱梁時，當混凝土澆筑后的強度滿足設計要求后對其腹板進行張拉預應力施工[1]。將5片小箱梁澆筑成整體，使其成為連續(xù)梁體系，本文在模擬該部分數(shù)值時所遵循的順序為：在澆筑完端部混凝土并在其強度滿足設計要求后，再進行張拉預應力施工。在進行有限元建模分析時，首先以五跨箱梁為整體進行建模，并根據(jù)實際施工情況模擬移動荷載和運營階段。

由頂板張拉數(shù)據(jù)可知，在各個控制截面中僅有0.14MPa的最大主拉應力在支座處出現(xiàn)，并且腹板在理想的施工體系中不會有較大的主拉應力出現(xiàn)，從而導致縱向裂縫出現(xiàn)在腹板位置。

3.2 運營階段應力分析

對最不利組合長期作用下，小箱梁在運營階段的頂?shù)装鍛M行分析，所得結(jié)果如圖1所示。限于篇幅，本文僅列出部分數(shù)據(jù)。

圖1 最不利組合長期作用下頂板正應力

在最不利組合的長期作用下A類預應力混凝土構(gòu)件小箱梁頂板正應力不得超過1.55MPa，底板不得有大于1.03MPa的拉應力以及不得有大于15MPa的壓應力。從模擬結(jié)果可知，在最不利組合的長期作用下，腹板有著1.46MPa的主拉應力，以及13.5MPa的最大正應力，二者均在跨中位置出現(xiàn)，可知其頂?shù)装宓恼龖M足規(guī)范要求，即腹板截面有足夠的抗裂強度，不會有開裂出現(xiàn)[2]。

同理，對其進行短期最不利荷載組合的分析可知，此時的5號墩附近的腹板有著1.12MPa的最大主拉應力，小于15MPa的要求，即此時不會有裂縫出現(xiàn)在橋梁腹板處。在對橋梁運營階段進行分析時，考慮該橋梁在運營時有較多的卡車過往，故在考慮小箱梁腹板受力和活載之間的關(guān)系時，基于規(guī)范限制進行集卡車的活載布置，并以3車道一副的形式進行模擬。所得結(jié)果如圖2所示。

可知，腹板在最大的移動荷載作用下在3號墩周圍有1.17MPa的最大主拉應力，當移動荷載最小時其在2號墩周圍有著0.47MPa的最大主拉應力，二者均小于規(guī)范限定值。

圖2 移動荷載作用下結(jié)構(gòu)最大效應腹板主拉應力分布

4 預應力定位偏差的影響

腹板預應力鋼束在設計條件下應沿著腹板中心進行布置，但實際情況往往因其他因素的影響而使得波紋管出現(xiàn)定位偏差，使其在預應力筋張拉過程中有徑向力作用到腹板上[3]。為更加準確地對預應力定位偏差的影響進行分析，本文將波紋管的定位偏差細分為橫向和豎向2種類型的偏差進行分析。并根據(jù)橋梁的橫斷面特點，劃分為3種工況進行分析。具體為：理想狀態(tài)下無任何偏差的工況I；N2孔道出現(xiàn)橫向1cm偏差的工況II；N2孔道橫向出現(xiàn)2cm偏差的工況III。

在工況I的理想狀態(tài)下進行預應力的張拉可知，小箱梁腹板僅在自重和預應力作用下在腹板內(nèi)外側(cè)有著-0.40～1.14MPa的主拉應力分布；腹板位置在波紋管的起彎點處有著最大的主拉應力。

在工況I的條件下進行腹板預應力筋的張拉時，其具有1.14MPa的最大主拉應力，因該橋梁采用的混凝土等級為C50，有著2.64MPa的抗拉強度標準值，故在工況I的條件下其主拉應力滿足設計要求，小箱梁腹板不會有裂縫出現(xiàn)。綜上可知，腹板縱向裂縫不會由理想的預應力效應產(chǎn)生。

在工況II的條件下，波紋管道有著1m的偏差，此時對腹板受力進行模擬可得結(jié)果：有-0.5～1.47MPa的主拉應力出現(xiàn)在腹板處，大概在距跨中8.5m位置處的預應力管道內(nèi)有最大的主拉應力出現(xiàn)，具體表現(xiàn)在小箱梁腹板的外側(cè)區(qū)域，此外，該位置還有1.34MPa的最大豎向應力出現(xiàn)。工況II下有著1.47MPa的主拉應力最大值，相比于工況I而言，其有著1.04MPa的增量。理想狀態(tài)下進行預應力鋼束的張拉，其產(chǎn)生的主拉應力處于規(guī)范限定值內(nèi)，表明此時不會有裂縫出現(xiàn)在混凝土上，但當有波紋管局部偏差出現(xiàn)時，其主拉應力有較為顯著的增加。

工況III下，在張拉預應力時，因管道偏差數(shù)值有所增加，使得腹板所受的水平徑向力也有所增加。此時，在預應力張拉的情況下，因管道未在規(guī)定時間內(nèi)進行灌漿施工，使得腹板截面處于削弱狀態(tài)，導致徑向力的作用更加明顯。與工況II相比，工況III作用下的腹板主拉應力有95%的增大。基于彈性分析結(jié)果可知，腹板外側(cè)有著-0.49～3.46MPa的主拉應力，且在N2管道外側(cè)有最大值出現(xiàn)，腹板外側(cè)還存在-0.19～2.84MPa的豎向應力，遠超過混凝土的抗拉強度標準值。

5 結(jié)語

本文以某預應力混凝土小箱梁為研究對象，采用有限元分析軟件Midas對其進行了仿真分析。通過上述對其受力和預應力管道偏差的分析，主要得出如下結(jié)論：通過對小箱梁腹板受力進行仿真分析，可知其各控制截面處的主應力等均比混凝土的抗拉強度設計值要小，即不會有縱向裂縫出現(xiàn)在腹板位置；通過對為灌漿期間小箱梁腹板位置處預應力管道偏差對應力造成的影響進行分析可知，在張拉預應力時因波紋管偏差所帶來的對孔道內(nèi)壁的徑向力作用，使腹板應力變化較大，當預應力管道有2cm的橫向偏差時，腹板處有3.46MPa的最大拉應力，此時將會有裂縫出現(xiàn)在腹板外側(cè)，并將會持續(xù)開展到孔道內(nèi)壁。